三元催化器GBD封裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三元催化器GBD封裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣玲1，張超2

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.佛吉亞排氣控制技術(shù)開(kāi)發(fā)(上海)有限公司，上海 201107)

摘要：三元催化器GBD封裝設(shè)備是根據(jù)企業(yè)的要求和市場(chǎng)需要專(zhuān)門(mén)研制的用于汽車(chē)三元催化器中襯墊包裹、載體裝配及整體收縮的一種自動(dòng)封裝設(shè)備。該設(shè)備是由控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成的，采用歐姆龍PLC、時(shí)光伺服系統(tǒng)、傳感器等元器件、Proface觸摸屏和日本SMC的氣動(dòng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)三元催化器的自動(dòng)化封裝。三元催化器GBD封裝設(shè)備從投產(chǎn)以來(lái)，工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，較好地完成三元催化器的GBD封裝，完全能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。

關(guān)鍵詞：三元催化器；GBD封裝設(shè)備；氣動(dòng)系統(tǒng)；可編程序控制器

作者簡(jiǎn)介：蔣玲(1974-)，女，安徽桐城人，講師，從事PLC及自動(dòng)控制方面的教學(xué)和研究工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-12-20

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)

0引言

隨著環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，人們對(duì)汽車(chē)尾氣排放要求的標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，越來(lái)越多的汽車(chē)在排氣系統(tǒng)中安裝了氣體凈化裝置。由于它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，將汽車(chē)尾氣排出的CO、HC和NOx等三種主要有害氣體通過(guò)氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳、水和氮?dú)?，故稱(chēng)之為三元催化器[1-3]。隨著科技的進(jìn)步，人力資源成本的上升，制造行業(yè)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化程度要求日益提高，以求提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。三元催化器GBD封裝設(shè)備在此要求下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，主要用于汽車(chē)三元催化器中襯墊包裹、載體裝配及整體收縮，該設(shè)計(jì)已獲得發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)201010280137.9)[4]，本文闡述其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1工作原理及組成

三元催化器GBD封裝設(shè)備由載體包裹壓裝機(jī)、整體收縮機(jī)、外徑測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)、各設(shè)備間的運(yùn)輸連接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[4]。壓裝機(jī)由筒體安放支撐定位機(jī)構(gòu)；載體、襯墊包裹體的導(dǎo)向壓縮機(jī)構(gòu)；以及伺服絲桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。整體收縮機(jī)由15KW的伺服電機(jī)帶動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從齒輪通過(guò)與主齒輪的齒合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿運(yùn)動(dòng)，絲桿帶動(dòng)12塊楔型模機(jī)構(gòu)移動(dòng)，最終使筒體進(jìn)行收縮，滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。收縮的最終位置由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算給出。在載體、襯墊包裹前，掃描載體和襯墊的二維碼使計(jì)算機(jī)獲取載體的外徑和襯墊的重量等信息。計(jì)算機(jī)獲取該信息后，通過(guò)內(nèi)部設(shè)定的程序計(jì)算出筒體收縮后的直徑。通過(guò)與PLC的數(shù)據(jù)交換控制整體收縮機(jī)的伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)三元催化器筒體外徑的控制。測(cè)量系統(tǒng)由基恩士的激光傳感器配合時(shí)光伺服在線(xiàn)檢測(cè)完成。自動(dòng)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)由啟動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)構(gòu)成。物料在各工位移動(dòng)時(shí)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

三元催化器GBD封裝設(shè)備的氣動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)壓裝機(jī)的載體壓縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與筒體間的壓合與松開(kāi)、載體導(dǎo)向機(jī)構(gòu)到位后的定位鎖緊和后退時(shí)的定位銷(xiāo)的松開(kāi)。筒體輸送到收縮機(jī)中的兩夾爪氣缸的夾緊和松開(kāi)；標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的刻字支撐定位、筒體的夾持與松開(kāi)，刻字機(jī)的前進(jìn)與后退，以及將刻好標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品推到運(yùn)輸帶上的推到機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)原理如圖1所示。

圖1氣動(dòng)原理圖

3控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制方案和PLC選型。設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)是根據(jù)工藝流程的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用要求。明確控制任務(wù)和范圍以確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)[5-7]。

圖2收縮伺服電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

在該系統(tǒng)中，由于要用PLC控制伺服電機(jī)，控制部分采用歐姆龍PLC，型號(hào)為CJ1M-CPU12-ENT，通訊模塊型號(hào)為SCU41-V1，輸入模塊為1臺(tái)ID231和1臺(tái)ID261，輸出模塊為1臺(tái)OD231和1臺(tái)OD261，PLC 電源為PA205R。動(dòng)力系統(tǒng)選用時(shí)光科技的伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)是航天科技的國(guó)產(chǎn)優(yōu)秀伺服系統(tǒng)，具有小容量高轉(zhuǎn)矩的特性，內(nèi)置開(kāi)發(fā)芯片，可實(shí)現(xiàn)自編程運(yùn)行功能；收縮電機(jī)選用時(shí)光伺服電機(jī)AC400V 15KW，伺服控制器型號(hào)為IMS-GCT4015SHL。壓入電機(jī)和輸送電機(jī)均選用時(shí)光伺服電機(jī)AC400V 400W，伺服控制器型號(hào)為IMS-GCT40P4SHL；開(kāi)關(guān)電源型號(hào)為S-100-DC24。

在系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，各種開(kāi)關(guān)量都與PLC的輸入端相連，PLC輸出端主要與要控制的電磁閥、接觸器、報(bào)警信號(hào)等相連。各種邏輯控制全部在PLC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，工作過(guò)程能在觸摸屏上動(dòng)態(tài)顯示[8-9]。收縮伺服電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序是三元催化器GBD封裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，三元催化器GBD封裝設(shè)備使用性能和操作方便性與程序設(shè)計(jì)的好壞有關(guān)，同時(shí)要盡可能縮短程序的運(yùn)行時(shí)間，以提高工作效率[9]。該設(shè)備控制程序由程序手動(dòng)操作程序、自動(dòng)操作程序、原點(diǎn)回歸等構(gòu)成。

設(shè)備通電、通氣后先在手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行一次原點(diǎn)回歸。一般情況下設(shè)備的參數(shù)都已經(jīng)設(shè)好，如無(wú)必要不需對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。手/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)置于自動(dòng)檔，操作員首先將工件放入后，雙手啟動(dòng)，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

自動(dòng)運(yùn)行的順序是：1襯墊壓裝工位移動(dòng)氣缸前移頂住載體→2定位氣缸上升定位→3襯墊壓入電機(jī)自動(dòng)壓裝→4伺服和氣缸自動(dòng)回原→5輸送電機(jī)送料→6同步電機(jī)移動(dòng)至取料位→7三爪氣缸張開(kāi)接料→8同步電機(jī)送入收縮腔體→9收縮電機(jī)進(jìn)行預(yù)收縮操作→10三爪氣缸松開(kāi)→11收縮電機(jī)終收縮→12三爪氣缸打開(kāi)夾持→13收縮電機(jī)退回至待機(jī)點(diǎn)→14同步電機(jī)取出至接料點(diǎn)→15提升氣缸下降→16夾持氣缸閉合夾住載體→17提升氣缸上升→18取出電機(jī)移動(dòng)至刻字工位(期間自動(dòng)進(jìn)行筒體外徑的測(cè)量)→19取出電機(jī)移動(dòng)至出料點(diǎn)→20提升電機(jī)下降→21刻字工位的夾料氣缸夾持→22刻字缸定位后刻字→23刻字完成后托料氣缸上升接料→24刻字工位的夾料缸回原→25刻字工位的托料缸下降→26刻字工位卸料缸運(yùn)行→27輸送帶運(yùn)行→28完成。限于篇幅，僅列出部分梯形圖程序，如圖3所示。

圖3　部分梯形圖程序

自動(dòng)運(yùn)行中如果按下急停或設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)及時(shí)觀察。確定無(wú)危險(xiǎn)后將選擇開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)檔，按復(fù)位按鈕設(shè)備自動(dòng)回原位。到達(dá)原位后原位指示燈常亮提示復(fù)位結(jié)束設(shè)備正常。

手動(dòng)程序主要是在設(shè)備調(diào)試和維修過(guò)程中使用，便于單步操作設(shè)備。采用PLC進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的更改非常靈活方便，簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)接線(xiàn)變得簡(jiǎn)單快捷。PLC模塊布置圖如圖4所示。

圖4　PLC模塊布置圖

4觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏的界面的設(shè)計(jì)采用proface的GP-pro EX2.1編程軟件實(shí)現(xiàn)。

4.1主界面設(shè)計(jì)

主界面如圖5所示

圖5　主界面

氣缸原位：表示所有氣缸到達(dá)原位,指示燈亮。伺服原位：表示所有伺服電機(jī)到達(dá)原位,指示燈亮。調(diào)試按鈕強(qiáng)制：選擇操作狀態(tài)的模式，可實(shí)現(xiàn)單步操作還是自動(dòng)操作，如果是顯示正常模式下，單擊步進(jìn)操作按鈕就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)操作，切換至強(qiáng)制模式下，按下啟動(dòng)按鈕即可啟動(dòng)設(shè)備。注油：手動(dòng)注油功能，點(diǎn)擊后手動(dòng)對(duì)收縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行加油，再次點(diǎn)擊后可關(guān)閉。建議開(kāi)機(jī)前注油10秒，給予傳動(dòng)機(jī)構(gòu)足夠的潤(rùn)滑。刻字功能：刻字功能的使用與否，點(diǎn)擊切換。壓裝功能：壓裝功能的使用與否，點(diǎn)擊使用壓裝功能，然后按下啟動(dòng)后，只可進(jìn)行壓裝，不會(huì)輸送至收縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行收縮。步進(jìn)操作：是在自動(dòng)狀態(tài)下模擬自動(dòng)運(yùn)行。但首次必須是按下啟動(dòng)按鈕，后續(xù)動(dòng)作按一下單步，設(shè)備按預(yù)定程序走一步，直至運(yùn)行完一輪即設(shè)備回到原位。其作用是便于操作者進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。良品數(shù)：右部的數(shù)字表示已加工的良品數(shù)量。不良品數(shù)：右部的數(shù)字表示已加工的不良品數(shù)量。清零：對(duì)良品數(shù)和不良品數(shù)進(jìn)行清零操作。關(guān)閉：退出此畫(huà)面，退回至畫(huà)面選擇。

4.2選擇界面

選擇界面如圖6所示。

圖6　選擇界面

上面兩個(gè)界面可以根據(jù)上下箭頭相互切換。

4.3氣缸手動(dòng)操作界面

氣缸手動(dòng)操作界面如圖7所示。

此界面主要是對(duì)襯墊壓入工序定位氣缸的手動(dòng)操作。

圖7　氣缸手動(dòng)操作界面

左推氣缸：對(duì)左推氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。左推定位氣缸：對(duì)左推定位氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。右推氣缸：對(duì)右推氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。右推定位氣缸：對(duì)右推定位氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。1#三爪氣缸：對(duì)1號(hào)同步電機(jī)上的三爪氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。2#三爪氣缸：對(duì)2號(hào)同步電機(jī)上的氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。夾持氣缸：對(duì)取出電機(jī)上的夾持氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。提升氣缸：對(duì)取出電機(jī)上的提示氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。(該氣缸是點(diǎn)動(dòng)式，其他都位切換式)

4.4伺服手動(dòng)操作界面

伺服手動(dòng)操作界面如圖8所示。

圖8　伺服手動(dòng)操作界面

此界面是對(duì)收縮、襯墊壓入電機(jī)進(jìn)行的點(diǎn)動(dòng)操作。

收縮/松開(kāi)：對(duì)收縮電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作；后面的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)其位置數(shù)據(jù)。壓入/退出：對(duì)2個(gè)襯墊壓入電機(jī)進(jìn)行操作；后面的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)其位置數(shù)據(jù)。速度設(shè)定：對(duì)當(dāng)前的3個(gè)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)定操作；具體畫(huà)面請(qǐng)參見(jiàn)后面的說(shuō)明。手動(dòng)同步開(kāi)關(guān)：對(duì)2號(hào)同步電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)同步運(yùn)行，在自動(dòng)的情況下此開(kāi)關(guān)必須關(guān)閉。

4.5原點(diǎn)復(fù)位界面

原點(diǎn)復(fù)位界面如圖9所示。

此畫(huà)面對(duì)9個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)原點(diǎn)復(fù)位操作，后面的文本表示其原點(diǎn)復(fù)位的完成情況。

圖9　原點(diǎn)復(fù)位界面

4.6刻字界面

刻字界面如圖10所示。

圖10　刻字界面

夾料氣缸：對(duì)左右?jiàn)A料氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器?？套謿飧祝簩?duì)刻字定位氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。托料氣缸：對(duì)托料氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器。卸料氣缸：對(duì)卸料氣缸進(jìn)行操作；后面的指示燈對(duì)應(yīng)其傳感器?？套郑簩?duì)刻字機(jī)進(jìn)行手動(dòng)操作，需注意點(diǎn)擊一次后，必須等待刻字機(jī)一個(gè)動(dòng)作周期的完成，然后才可點(diǎn)擊第二次，不然刻字機(jī)會(huì)中斷當(dāng)前刻字，需要上位機(jī)進(jìn)行軟件復(fù)位操作。輸送帶：輸送帶的手動(dòng)操作，點(diǎn)擊切換輸送線(xiàn)啟停功能。

4.7伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面

伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面如圖11所示。

圖11　伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面

此界面主要是收縮伺服自動(dòng)定位所需的定位速度數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。其中地址1～地址5表明收縮電機(jī)定位點(diǎn)的數(shù)量。其他界面功能等同，在此不詳細(xì)介紹。

5結(jié)語(yǔ)

三元催化器GBD封裝設(shè)備根據(jù)客戶(hù)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的，本設(shè)備采用機(jī)、電、氣一體化設(shè)計(jì)、氣動(dòng)部分采用日本SMC的氣動(dòng)控制元件，電氣控制系統(tǒng)由OMRON PLC中端系列CJ1M-ENT PLC控制器配合SCU41串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新；動(dòng)力系統(tǒng)選用時(shí)光科技的伺服系統(tǒng)；上位機(jī)主要有研華工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)下層的PLC進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的交換；測(cè)量系統(tǒng)由基恩士的激光傳感器配合時(shí)光伺服在線(xiàn)檢測(cè)及判別合格與否，然后進(jìn)行刻字打標(biāo)完成。設(shè)備具有手動(dòng)、自動(dòng)、故障報(bào)警和顯示等功能。具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度較高，完全滿(mǎn)足汽車(chē)凈化器的封裝要求。利用PLC進(jìn)行控制，提升了控制系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)，方便了操作，提高了凈化器封裝的自動(dòng)化水平[9]。設(shè)備間的物料輸送通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行，減少了人員配置，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率由原先的70%提升到85%。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：郝杰]

Design of GBD Packaging Equipment Control System for

Three-Way Catalyst

JIANGLing1,ZHANGChao2

(1.Department of Electrical Engineering, Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241006, China;

2.Faurecia Exhaust Control Technology Development (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201107, China)

Abstract：To meet the needs of the enterprise and market development, three-way catalyst GBD packaging equipment is a kind of automatic encapsulating device specially designed for the liner packing, carrier assembly, and overall contraction of automobile three-way catalyst. It consists of control system, pneumatic system and mechanical system. It employs the OMRON PLC, servo system, sensor components and Proface of human-machine interface and SMC pneumatic components researched and developed by Japan to control automatic encapsulating car three-way catalyst process. The machine has been working stably since its production, suitable for encapsulating the Car Purifier. The Automatic GBD packaging equipment of Three-way Catalyst can fully meet the requirements of production process.

Key words：three-way catalyst (TWC); GBD encapsulation equipment; pneumatic system; PLC